人工智能技术在中小学体育教育中的应用

人工智能(AI)的迅猛发展正推动中小学体育教育的深刻变革。AI技术在体育教育中的应用涵盖了智能体育知识服务、动作技能学习、智能课堂教学、身体活动监控等多个领域。这些应用不仅提升了体育教学的科学性和个性化,还优化了学生的运动体验和健康水平。

体育人工智能领域关键技术的研究现状和发展方向

随着人工智能技术在体育领域的逐步推广,体育人工智能学科已初现端倪,具体是指以人工智能技术为手段,通过感知、归纳、分析、挖掘人类体育运动的数据,揭示人体运动规律、评估运动表现效果、形成科学运动的方案、研发辅助运动训练的装备,以此提升竞技体育运动表现及实现健身科学化和主动健康。首先介绍人工智能及体育人工智能学科的发展历程,进而基于检索到的855篇学术论文,针对体育人工智能领域的3类主要技术——计算机视觉技术、智能可穿戴设备和大数据技术,归纳了不同技术的数据获取方式,介绍了包括深度学习在内的机器学习等人工智能算法,梳理了其在竞技体育、学校体育、全民健身领域中的应用现状和研究方向,最后分别分析了上述3类主要技术在当前的应用中面临的挑战及未来的主要发展方向。

人工智能在儿童青少年焦虑和抑郁中应用的Scoping综述

目的系统综述人工智能在儿童青少年焦虑和抑郁中的应用。方法检索2014年1月至2024年1月PubMed、Web of Science、中国知网和万方数据库中人工智能与儿童青少年焦虑和抑郁相关文献,进行Scoping综述。结果最终纳入10篇文献,来自美国、中国、澳大利亚和法国,主要来源于心理学、公共卫生、临床医学、神经科学、康复等领域的期刊,涉及6项横断面研究、3项纵向研究和1项访谈研究,包括10880例参与者,年龄3~18岁。数据类型主要包括问卷/量表、访谈数据和脑成像数据。从数据中提取与焦虑、抑郁相关的特征,使用人工智能技术建立模型,以识别或预测儿童青少年焦虑和抑郁。结论人工智能在识别或预测儿童和青少年焦虑和抑郁方面具有潜在的价值和应用前景。

人工智能在中小学生身体活动监测中的应用

国家一直都很重视中小学生的体质健康问题,北京市也积极响应国家号召,制定一系列体育与健康考核方案。在中小学体育考核中加入过程性评价,旨在优化考核机制。当前,在过程性评价中,主要问题是中小学生的身体活动量达到推荐量比例较低。本文正是为了解决这一问题,采用人工智能方法,通过连续动态监测,为学校体育改革和体质健康促进提供客观量化的数据支撑。

人工智能赋能青少年体育健康促进高质量发展路径研究

体育健康促进是青少年体育工作的重要内容,青少年近视、超重肥胖、体态不良等问题日益凸显,已成为制约青少年素质提升的重要因素之一,这使得青少年体育健康促进变得尤为重要。如何利用人工智能精准采集、分析与处理数据,生成青少年体育健康促进新范式,成为化解当前治理困局、提升治理效能的关键。运用文献资料法,对人工智能赋能青少年体育健康促进高质量发展的路径进行研究,研究认为:当前人工智能赋能青少年体育健康促进面临大众的认知观念需更新、专门性政策标准有待完善、技术应用成熟度有待提高、人工智能型健康促进模式创新不足等现实困境,应该着力从更新大众对体育人工智能的认知观念、加强体育人工智能领域的政策标准研制、提高技术应用的成熟度、创新人工智能型健康促进模式4个方面,探索人工智能赋能青少年体育健康促进高质量发展路径。

“日运动负荷监测”赋能新时代学校体育内涵式发展

中小学体育和青少年体质健康研究基地,是首都体育学院以北京市教委和北京市科委的项目为依托,针对青少年运动健康从机理研究到工程技术的完整研究体系建立的科学研究基地。研究基地与北京市近50多所中小学校直接合作,开展了“科学研究+服务实践”相结合的系列研究工作。其中,利用运动传感网和人工智能技术开发的中小学生日运动负荷监测系统,进行监测、分析与评价学生校内外的体育锻炼,包括体育课、大课间、体育家庭作业和课余锻炼活动等,采集了30多亿条青少年身体素质和运动体征数据,建立了“首体健身”微信小程序和青少年运动健康大数据云平台,形成科学研究、科学训练、科学实践闭环的青少年体育健康促进模式,取得了丰硕成果。

高强度功能性训练与传统单一训练模式的绩效比较研究系统综述——基于运动素质、生理机能和身体成分测试

目的:阐明高强度功能性训练(HIFT)与传统单一训练模式的训练绩效差异。方法:运用文献研究法就HIFT相较于传统单一训练模式对运动素质、生理机能和身体成分的影响进行梳理与总结,并探析研究热点和前沿。研究共纳入15篇相关文献,结果发现:1)在运动素质方面,HIFT对肌肉力量、肌肉耐力和肌肉爆发力的训练效果优于持续性有氧训练或高强度间歇训练,与抗阻训练或有氧联合抗阻训练没有显著差异,或较弱于抗阻训练,其训练效果受抗阻的负荷和人群差异的影响,HIFT相较于传统单一训练模式更能提高平衡性和敏捷性;2)在生理机能方面,HIFT对有氧能力的改善优于有氧联合抗阻训练,与高强度间歇训练和高强度持续性有氧训练相当,但相对更能提高肌肉力量和爆发力,HIFT对无氧能力的改善与传统单一训练模式具有相似效果;3)在身体成分方面,HIFT对体成分的影响相对传统单一训练模式效果相当,HIFT可能是改善超重或肥胖人群体成分的一种高效的运动方式;4)由于HIFT的动作模式具有多样性、循环性的特点,参与HIFT的受试者表现出更高的运动愉悦性和运动主动性。结论:HIFT既可提高肌肉运动表现、机体平衡能力和敏捷能力,又可改善心肺机能和身体成分,能使参与者具有更高的愉悦性和主动性,可作为对传统单一训练模式的补充训练方式。建议:今后研究应在明确HIFT训练模式和训练强度的基础上,探索适用于不同人群的HIFT处方指南和适用于不同专项运动员的HIFT方案,结合表面肌电特征或生物力学参数,从更多视角研究和阐明其生物学机制。

柔性锌离子电池在可穿戴传感器中的应用研究进展

可穿戴传感器在运动、医学、康复等多个领域的应用极大地方便了对人体运动指标信号的捕捉和监测,有效避免了运动损伤,降低了就医频率甚至挽救了许多生命。随着可穿戴传感器的应用和普及,与之适配的柔性能源供应系统成为其发展的关键。近年来研究者们基于不同的能量释放方式,研究和设计了多种柔性能源供应系统,其中柔性锌离子电池以其高能量密度、高弹性模量、高循环稳定性和高安全性在众多供能体系中脱颖而出,成为可穿戴传感器最具潜力的柔性能源供应系统之一。本文综述了柔性锌离子电池近年来在可穿戴传感器方面的研究进展,主要介绍和总结了电池各组件(集流体、电极(正极、负极)、隔膜、电解质、封装)的材料类型、特点以及与可穿戴传感器集成的应用情况,最后讨论了柔性锌离子电池目前面临的问题和挑战。

基于模式识别的高水平运动员RS-fMRI数据分类研究

为弥补传统的广义线性模型(generalized linear model,GLM)方法的不足,并探索模式识别在运动脑科学当中的应用价值。使用支持向量机(support vector machine,SVM)模式识别算法,以低频振幅(fractional amplitude of low-frequency fluctuations,fALFF)、局部一致性(regional homogeneity,ReHo)和度中心度(degree centrality,DC)作为学习特征,对射击运动组和滑冰运动组(分类1)、射击运动组和对照组(分类2)以及速滑运动组和对照组(分类3)之间进行二分类,并计算每一个脑区在分类算法当中的权重。使用留一交叉验证法计算分类正确率,使用总的准确率、接受者操作特性曲线(receiver operating characteristic curve,ROC)、以及预测准确率来衡量机器分类算法的优劣性。结果表明:分类1中SVM算法的正确率较高且分类效果更稳定,总的准确率(total accuracy,tACC)可以维持在96.67%以上,曲线下面积(area under curve,AUC)均为1,说明SVM算法对区分不同项目运动员脑静息态功能特征时更有优势;在分类2和分类3中,SVM算法效果取决于使用的指标。其中,使用fALFF或者综合使用三个静息态指标的分类效果较稳定(tACC均在80%以上,AUC均在0.88以上);小脑在分类1算法中占较多的权重,提示不同运动项目运动员的脑功能活动之间差异最明显的部位主要在小脑上。而分类2和3中,除了小脑,还有一些与运动执行和控制及其他功能活动相关的脑区参与了算法的构成。通过SVM分类算法的应用获得较为理想的结果,展示了模式识别方法在运动科学领域的应用价值。研究成果有助于体育科学研究者从新的角度更加全面地理解运动与脑的关系。

身体运动功能训练对陆军士兵训练伤病的影响及综合干预效果研究

对我军陆军士兵应用身体运动功能训练体系进行体能训练干预,以观察其对士兵功能水平、军事训练伤发生情况、体能水平以及主观感受度的影响。采用以下方法:从某军区陆军一线作战部队选取205名陆军士兵进行为期16周的实验,将205名士兵随机分成实验组(n=103)和对照组(n=102)。实验组士兵采用身体运动功能训练,对照组士兵采用陆军传统体能训练。在实验前后对两组士兵的FMS得分、训练伤发生率、体能素质等指标进行测试与评估。得到以下结果:在FMS 7个单项测试中,实验组士兵有5项得分高于对照组且具有统计学意义(p<0.05);在军事训练伤病的评估中,实验组总伤病率由58.3%下降到30.1%,对照组总伤病率由56.9%上升到61.8%,实验组伤病率对比对照组显著下降,具有统计学意义(p<0.01);在体能素质上,实验组的各项体能指标均高于对照组;通过主观感受量表调查显示,实验组士兵对身体运动训练体系非常认可,主观接受度较高。取得以下结论:基于身体运动功能训练理念设计的军事体能训练方案能够改善陆军士兵的身体功能性障碍,降低军事训练伤的发生率,且能够有效提高士兵的体能水平,综合效果较好,值得陆军大规模推广。

支撑跳跃着陆技术优化与下肢动态刚度控制策略研究

目的支撑跳跃是军事训练中速度越障项目中常见的技术动作,其着陆动作具有高度动态、复杂和危险的特点。本研究旨在通过监测不同能力水平受试者的着陆过程,分析其风险因素和控制策略,并为新兵训练提供指导。方法招募了不同训练经验的参与者(包括服役时间超过2年的退伍军人-Veteran和年龄相符的健康大学生-Novice),并使用3种不同的着陆技术(前足、后足、个人偏好)开展了速度越障实验。通过动作捕捉和三维力台系统来采集他们着陆过程中的运动学和动力学数据,并结合运动学、动力学、下肢动态刚度来分析不同训练经验受试者在采用不同着陆技术时的下肢控制过程。结果与Novice相比,Veteran在着陆过程中表现出膝关节屈曲速度更快且更稳定,膝关节内外翻的活动范围和内旋活动范围显著较低。在采用前足和个人偏好的着落技术时,Veteran所受地面反力冲击更小。动态刚度结果显示,Veteran着陆过程中胫骨受到的前向剪切力更小,膝关节刚度控制能力更强。在承受地面反力首峰和次峰时,Veteran采用逐渐降低刚度的软着陆策略,并且在承受首次冲击后膝关节刚度具有迅速恢复能力。结论新兵在训练中应尽量选择前足着陆技术,并在着陆中采用更加柔软的方式控制膝关节刚度,以降低膝关节损伤风险。

疲劳对跳跃着陆过程中下肢关节动态刚度的影响研究

目的动态刚度考虑了肌肉活动对关节位移的影响,是分析运动模型、评估运动表现的重要指标。本研究旨在对比疲劳前后下肢关节在跳跃着陆任务中刚度的动态变化,提升下肢关节在运动过程中贡献的可解释性。方法本研究随机招募了20名健康男大学生作为研究对象,受试者双手叉腰分别从40、80 cm高度无初速度垂直落地,通过负重深蹲进行疲劳诱导后重复以上测试。实验中采用三维测力台和运动捕捉系统采集相应数据,每组测试采集3次有效数据。建立角度和力矩的二阶多项式回归模型,以每个数据点斜率的平均值作为动态刚度表征关节力学特性。结果在跳跃着陆过程中,从触地时刻到垂直地面反力最大时刻,疲劳和高度增加会导致膝关节动态刚度的降低和踝关节动态刚度的增加,同时,疲劳也增加了髋关节的僵硬度。从垂直地面反力最大时刻到膝关节最大屈曲时刻,疲劳或高度增加,髋、膝、踝3个关节动态刚度一致增加。结论下肢三关节的生物力学行为在整个着陆过程发生变化,髋、膝与踝关节刚度的有效调控有利于提升运动表现。在疲劳和高度增加后,关节的僵硬度增加会导致更高的损伤风险,而在着陆的不同阶段,3个关节相互作用并动态调节刚度可以有效维持关节稳定性。

运动传感网在中小学体育教学中的应用实践和探索

党的二十大提出了要建设教育强国、体育强国、科技强国。学校体育领域如何和科技相结合?首都体育学院近年来着力发展融合创新,在中小学体育教学应用中做了有价值的实践和探索。首都体育学院率先确立了体育人工智能作为未来科技体育的核心方向,同时将体育学、工程技术和医学进行“体医工”交叉融合发展,建设了运动传感网的技术体系。运动传感网是为揭示人体运动的变化规律,通过传感器、物联网和人工智能算法等技术集成的数据采集和分析的网络解决方案,并以场景为中心解决实际问题。

中国式摔跤术语标准化研究

运用文献资料法、逻辑分析法等,从中国式摔跤术语概念的界定及其特点、中国式摔跤术语命名的必要性分析、中国式摔跤术语的标准化分类等方面对中国式摔跤术语标准化进行了探讨,旨在进一步完善中国式摔跤基础理论,助推中国式摔跤得到更好的传承和发展。

外用碳酸氢钠在高水平足球运动员高强度间歇训练期的试验

碳酸氢钠对提高运动员竞技表现水平和缓解运动疲劳有较好效果,但运动员口服碳酸氢钠会有碱中毒、肠胃反应、心律失常等副作用,从而无法在竞技体育中广泛应用。研究了碳酸氢钠经皮肤外涂给药对男子足球运动员的高强度间歇训练期间血清指标和延迟性肌肉酸痛的影响。选取16名高水平男子足球运动员为研究对象,每天为其分别涂抹碳酸氢钠外用乳剂和安慰剂乳剂后,分别在7 d高强度间歇训练后对主观疲劳程度和下肢延迟性肌肉酸痛程度进行统计。对训练前后血乳酸、肌酸激酶、尿素氮、血红蛋白等血液生化指标、训练期的训练刺激量、最大心率、能量消耗、有氧和无氧训练效果指标,跑动距离、跑动速度、加速度、高速跑距离、总负荷等运动表现指标进行分析。结果表明在一次高强度间歇训练前后,实验组相比对照组,血乳酸升高数值显著降低(P<0.05),肌酸激酶升高数值增高,血尿素氮升高幅度降低;在7 d训练期,相比于对照组,实验组的下肢延迟性肌肉酸痛数值(delayed onset muscle soreness,DOMS)和自觉疲劳程度量表(rating of perceived exertion,RPE)总体水平显著降低(P<0.05),下肢DOMS数值在第2天和第6天显著下降(P<0.05);在反映训练强度和训练效果的训练刺激量(training impulse,TRIMP)数值上,实验组的总体水平高于对照组,且变化幅度更小。实验组运动员训练的无氧训练效果、运动后过量氧耗(excess post-exercise oxygen consumption,EPOC)峰值、最大心率、能量消耗相比于对照组均有所提升,其中最大心率、无氧训练效果有显著性提升(P<0.05)。可见碳酸氢钠的外涂给药可以显著降低足球运动员高强度间歇训练带来的肌肉延迟性酸痛,并显著降低高强度训练产生的血液血乳酸浓度升高,有利于高强度训练后的无氧训练效果提升,使得运动员心率储备能力和快速恢复能力增强,从而促进专项运动能力的提升。

长期身体活动对孤独症谱系障碍儿童执行功能效果的系统综述

目的根据《国际功能、残疾和健康分类(儿童青少年版)》(ICF-CY)的理论与方法,建立孤独症谱系障碍(ASD)儿童身体活动的范畴和结构,系统评价长期身体活动对ASD儿童执行功能的影响。方法检索万方数据库、中国知网、PubMed、Web of Science和ProQuest等数据库,收集2014年至2023年公开发表的身体活动与ASD儿童执行功能相关的文献,根据文献的纳入和排除标准纳入文献,采用PRISMA指南对纳入文献进行系统综述,采用物理治疗证据数据库(PEDro)量表对文献质量进行评价。结果最终纳入10篇文献,包括9项随机对照试验和1项非随机对照试验,共351例ASD儿童,年龄3~18岁;来自意大利、加拿大、韩国、中国、美国5个国家;发表时间集中在2016年之后。ASD儿童的身体活动主要包括运动项目类活动(如棒球、篮球、乒乓球、马术辅助活动)、技能类活动(如自行车、认知运动训练、运动式游戏)、体能类活动(SPARK),以及格斗类项目(格斗和空手道)。干预频率每次30~70 min,以每次45 min居多;每周1~5次,以每周2次居多;持续2~24周,以12周居多。长期身体活动可以改善ASD儿童的抑制控制和认知灵活性,对工作记忆的改善效果存在不一致现象。结论长期身体活动对ASD儿童执行功能的改善具有选择性影响,可以改善ASD儿童的抑制控制和认知灵活性,对工作记忆的改善还存在一定分歧。

长期参与有氧运动大学生执行功能相关脑网络特征

为了探索长期参与有氧运动的男性大学生执行功能相关脑网络的特征,并与静坐少动的对照组进行比较。收集15名规律参与有氧运动的男性大学生以及15名静坐少动对照组男性大学生脑结构及静息态功能磁共振成像数据。使用度中心度和独立成分分析两种方法评价脑网络特征:计算并提取14个执行功能相关脑区度中心度值(degree centrality,DC),采用独立成分分析方法(independent component analysis,ICA)提取4个与执行功能相关的脑网络成分。组间对比发现:有氧运动组双侧后扣带回皮层以及双侧海马区度中心度水平显著高于静坐少动组(p<0.05),而静坐少动组右侧顶下小叶度中心度水平显著高于有氧运动组(p<0.05);有氧运动组在默认网络、背侧注意网络及腹侧注意网络均有脑区激活高于静坐少动组,峰值分别出现在右颞下回、颞极以及左腹侧后扣带回(AlphaSim校正,p<0.001);而静坐少动组腹侧注意网络在左侧在壳核高于有氧运动组(AlphaSim校正,p<0.001)。研究结果表明:长期参与有氧运动的大学生,其执行功能相关脑网络激活模式优于静坐少动大学生,而这种差异主要是通过增加海马和后扣带回皮层而不是额叶皮层在脑网络中的重要性来实现的。

动态循环拉伸对局部骨形成和骨吸收的影响

目的骨骼能通过骨细胞的力学传导(包括成骨细胞和破骨细胞)来适应外部载荷变化。然而,对于骨表面的局部骨重建的力学调控机制的研究较少,特别是骨形成、骨吸收与细胞分布之间的关系。本研究旨在研究9周龄大鼠第8节尾椎在周期性拉伸载荷作用下的局部力学敏感性。方法利用自主研发的大鼠尾椎动态拉伸装置,在椎骨上提供长期周期性拉伸(拉伸位移1 mm,每周3次,持续8周)。将大鼠随机分配到3组(无张力组(对照组)、1 Hz拉伸组和10 Hz拉伸组),并在0、2、4、6和8周进行活体micro-CT扫描并计算每两周的骨形成和骨吸收。对组织学切片进行了苏木精/伊红和抗酒石酸酸性磷酸酶染色。结果在第8周时,1 Hz和10 Hz组的骨体积比(BV/TV)比对照组高6%。相反,1 Hz和10 Hz组的小梁间距(Tb.Sp)比对照组低31%。组织学结果显示,在1 Hz(25.73%)和10 Hz(14.75%)周期性加载下,成骨细胞附着在骨表面的比例高于对照组(4.39%)。在1 Hz(0.38%)和10 Hz(0.49%)周期性加载下,视野总面积中破骨细胞的附着量低于对照组(1.04%)。结论动态循环拉伸促进骨形成降低骨吸收,并且成骨细胞和破骨细胞的分布与骨形成和骨吸收位置具有关联性。

基于一维参数映射分析不同高度下疲劳前后男性垂直下落跳地面作用力差异

目的统计参数映射(statistical parametric mapping,SPM)是一种针对连续数据的统计学分析。本研究通过SPM,揭示疲劳前后GRF的不同高度下疲劳前后男性垂直下落跳地面作用力差异。方法8名运动训练专业健康男性大学生作为受试者,分别在疲劳前后从40cm和80 cm跳台进行垂直下落跳,记录触地至静止站立GRF,采用一维统计参数映射配对样本t检验分别对比不同高度下跑者及疲劳前后GRF差异。结果基于正态性特征,对男性受试者40 cm疲劳前后垂直GRF采用SPM1d配对样本t检验,发现在着陆7%~15%超过阈值(α=0.05,t^(*)=4.187)疲劳前显著大于疲劳后(P<0.05),着陆18%~40%疲劳后显著大于疲劳后前(P<0.05)。对前后方向GRF和内外侧采用SPM1d配对样本t检验,着陆70%~75%和63%~83%(α=0.05,t^(*)=4.187),疲劳后显著大于疲劳前(P<0.05)。对男性受试者80cm疲劳前后垂直GRF采用SPM1d配对样本t检验,在着陆35%~51%阶段超过阈值(α=0.05,t^(*)=4.187),疲劳前显著大于疲劳后(P<0.05)。对前后方向GRF和内外侧采用SPM1d配对样本t检验,着陆45%~78%和8%~15%(α=0.05,t^(*)=4.187),疲劳前显著大于疲劳后(P<0.05)。结论40 cm条件下结果表明,疲劳会引起神经肌肉控制能力的下降,导致在着陆初期身体恢复直立阶段身体无法精确控制肌肉活动,从而增加前后向和水平侧向GRF。80 cm条件下疲劳前后的差异表明,疲劳会引起肌肉力量的减弱,从而导致在恢复直立阶段无法提供足够的力量来对抗重力,从而使得地面反力变小。

肩外展角对坐姿越野滑雪双杖推撑过程的生物力学影响

目的坐姿越野滑雪者通常采用双杖推撑技术进行滑雪,本研究的目的是分析肩外展角对双杖推撑过程的功率输出和生物力学参数的影响。方法使用坐姿越野滑雪室内测试系统和Qualisys动作捕捉系统采集24名非残疾大学生(24.67±1.46岁)在0°、15°、24°和30°的不同肩外展角下连续进行3次30 s最大用力测试数据,分析受试者的输出功率和生物力学参数。结果与0°(590.65±148.95 J)相比,15°(597.78±150.31 J)、24°(610.94±158.96 J,P=0.011)和30°(629.10±168.78 J,P<0.001)的输出功率随肩外展角的增加而增加。有效输出功率随肩外展角的增大而减小。与其他肩外展角(0°,1.57±0.19 s,15°,1.55±0.16 s和30°,1.56±0.19 s)相比,肩外展角为24°时的周期滑行时间最短,为1.53±0.17 s。与0°(1.02±0.14 m)相比,24°(1.07±0.12 m,P=0.029)和30°(1.11±0.13 m,P<0.001)的周期滑行距离显著增加。结论使用肩外展滑行提高了输出功率,但降低了效率。通过对滑杆角度和滑杆力的分析,发现最滑行时最佳肩外展角可能取决于地形或滑雪速度。这些结果可以指导比赛的技战术,并可能进一步影响坐姿越野滑雪运动员的力量训练计划。